Evaluation of Cetuximab Resistance Mechanism in Colorectal Cancer using Next-Generation Sequencing :차세대 염기서열분석(NGS)을 이용한 대장암 항암제 세툭시맙 내성 기전확인

Jun Woo Bong

자료유형: 학위논문

저자정보: Jun Woo Bong (고려대학교, 고려대학교 대학원)

지도교수: 민병욱

발행연도: 2024

저작권: 고려대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수5

초록· 키워드

배경: 세툭시맙은 상피세포 성장인자 수용체(EGFR)를 표적으로 하는 단일클론 항체로, 전이성 대장암의 주요 치료제다. 세툭시맙의 효능은 여러 연구를 통해 검증되었으며, FOLFIRI나 FOLFOX와 같은 세포독성 항암제을 기반으로 한Chemotherapy backbone과 병용했을 때 생존율이 향상됨은 잘 알려져 있다. 그러나 세툭시맙 치료 저항을 보이는 경우에는 전이성 대장암 치료에 어려움이 따르게 된다. 최근 연구에서는 세툭시맙 치료 결과를 예측하는데 있어 Consensus Molecular Subtype (CMS) 및 병행 투여하는 Chemotherapy backbone이 중요한 역할을 한다는 점이 밝혀진 바가 있다. 본 연구에서는 전사체 시퀀싱을 통해 CMS 및 Chemotherapy backbone이 세툭시맙 치료 저항 기전에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
방법: 2015년부터 2020년 사이에 고려대학교 구로병원에서 대장암 간전이 환자들의 임상 데이터를 수집하였다. 환자들을 RECIST criteria에 따른 세툭시맙 치료에 대한 반응률에 따라 분류하였으며, 환자들의 수술 샘플을 이용하여 전사체 시퀀싱을 시행하였다. 반응에 따른 저항 기전을 분석하기 위해 각 샘플들의 RNA 발현 패턴을 반응률 별로 비교 분석하였다.
결과: 본 연구에는 세툭시맙으로 치료받은 대장암 간전이 환자 34명이 포함되었다. 이들을 치료에 대한 반응률에 따라 Good responder (GR, n=25)와 Poor responder (PR, n=9)로 분류하였다. 총 19명의 환자 조직(GR=10, PR=9)이 유전자 발현 분석을 위해 분석되었다. 유전자 발현 분석은 GR과 PR 그룹 간에 336개의 발현 차등 유전자들을 식별하였으며, 주로 세포 외 기질 기능 유전자와 연관성을 보였다. 차등발현 유전자들을 기반으로 시행한 계층적 클러스터링과 Principal component analysis는 GR과 PR 간의 일정한 차이를 보여주었으나, 일부 샘플에서는 클러스터링 패턴의 불규칙성이 나타났다. Gene Set Enrichment Analysis결과 Oncogenic hallmark pathway의 발현이 FOLFIRI+세툭시맙 치료군에서는 PR그룹이 GR그룹보다 활성화되어 있는 것으로 분석되었으나, FOLFOX+세툭시맙 치료군에서는 반대로 PR 그룹이 GR그룹보다 발현이 감소되어 있는 것으로 분석되었다. CMS 분류는 대부분의 샘플(94.7%)이 CMS4로 분류되었으며, 한 샘플만이 CMS2로 분류되었다. 세툭시맙 저항 세포주를 이용한 microarray data를 이용하여 추출한 EGFR-dependent resistance 93 gene signature를 이 연구의 샘플에 적용했을 때 FOLFIRI+세툭시맙 군에서 77%의 반응 성 예측 정확도를 보였지만, FOLFOX+세툭시맙 군에서는 모든 샘플에서 실제 반응성과 반대로 예측되었다 (0%).
결론: 이 연구 결과 대장암 간전이 세툭시맙 치료에서 병용 투여되는 Chemotherapy backbone은 CMS4인 대장암 간전이 환자에게서 세툭시맙 치료에 대한 반응을 결정짓는 중요한 요소였다. 즉, FOLFIRI 사용 군에서의 세툭시맙 치료 저항성은 EGFR dependent pathway와 관련이 있는 반면, FOLFOX 사용 군에서의 저항성은 EGFR independent pathway와 연관되어 있었다. 이것은 전이성 대장암의 세툭시맙 치료 저항 기전이 chemotherapy backbone과 CMS에 따라 달라질 수 있음을 보여주며, 기존의 KRAS, BRAF와 같은 바이오마커의 한계를 극복하고 향후 세툭시맙의 치료 반응을 예측하고 저항을 극복하기 위한 연구에 중요한 방향을 제시한다.

Background: Cetuximab, a monoclonal antibody targeting the epidermal growth factor receptor (EGFR), is a primary treatment for metastatic colorectal cancer (mCRC). It improved survival rates when combined with cytotoxic chemotherapy backbone regimens like FOLFIRI or FOLFOX. However, resistance to cetuximab therapy still remains a significant challenge. Recent studies have highlighted the role of consensus molecular subtypes (CMS) in predicting the cetuximab response, suggesting subtype-specific benefits and the influence of chemotherapy backbones. In this study, we aimed to analyze the resistance mechanism of cetuximab therapy in mCRC associated with CMS types and chemotherapy backbones using transcriptome sequencing.
Method: We collected clinical data on patients treated for mCRC with liver metastasis at Korea University Guro Hospital between 2015 and 2020. Patients were categorized based on their response to cetuximab therapy, and transcriptome sequencing of surgical specimens from patients was analyzed. The patterns of mRNA expression were analyzed to explore the resistance mechanisms according to the response.
Results: The study included 34 patients undergoing curative hepatectomy for mCRC treated with cetuximab. Patients were classified as good responders (GR, n = 25) and poor responders (PR, n = 9) based on response rates to therapy. A total of 19 patients'' tissues (GR = 10, PR = 9) were analyzed for gene expression. Gene expression analysis identified 336 differentially expressed genes (DEGs) between the GR and PR groups with significant associations with the extracellular matrix. Hierarchical clustering and principal component analysis showed differentiation between GR and PR based on DEGs, although some samples displayed irregularities in clustering patterns. Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) revealed distinct oncogenic hallmark pathways associated with resistance in groups treated with FOLFIRI + cetuximab (increased in PR) and FOLFOX + cetuximab (decreased in PR). CMS classification indicated that the majority of samples (94.7%) were CMS4, with one sample classified as CMS2. The gene signature developed to predict cetuximab resistance showed an acceptable predictivity of 77% in the FOLFIRI group but failed in the FOLFOX group (0%), where the predictions were inversely correlated with actual responses.
Conclusion: The chemotherapy backbone plays a critical role in the resistance mechanism of cetuximab therapy for mCRC, particularly in patients classified as CMS4. Resistance in the FOLFIRI group was associated with EGFR-dependent pathways, whereas resistance was linked to EGFR-independent pathways in the FOLFOX group. These findings underscore the importance of considering the chemotherapy backbone and CMS classification when predicting cetuximab therapy outcomes, offering insights into personalized treatment strategies to enhance response to anti-EGFR therapy.

#Cetuximab #metastatic colorectal cancer #chemotherapy backbone #gene expression analysis #consensus molecular subtype

ABSTRACT ⅰ
국문 초록 ⅲ
TABLE OF CONTENTS ⅵ
LIST OF TABLES ⅷ
LIST OF FIGURES ⅸ
NOMENCLATURE ⅹ
CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
CHAPTER 2. METHODS 4
2.1 Patients and tissue specimens 4
2.2 Transcriptome sequencing and pathway analysis 4
2.2.1 RNA sequencing and preprocessing 5
2.2.2 Differentially expressed genes analysis 5
2.2.3 Gene set enrichment analysis 6
2.2.4 Consensus molecular subtyping 6
2.2.5 Microarray and gene signature 6
CHAPTER 3. RESULTS 7
3.1 Clinical characteristics of patients 7
3.2 Gene expression analysis 10
3.3 Gene set enrichment analysis 14
3.4 Consensus molecular subtype 16
3.5 Prediction of response to cetuximab therapy using gene signature 17
CHAPTER 4. DISCUSSION 22
CHAPTER 5. CONCLUSION 26
REFERENCES 27

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